3687233 INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO

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INFILTRAÇÃO E ÁGUA NO SOLO
Benedito C. Silva
Hidrologia
Capítulo 06b
1
Camada impermeável
Zona saturada
Zona não saturada
Poros ocupados por ar e água
(água do solo)
Poros ocupados por água
(água subterrânea)
Infiltração
Percolação
Água do solo x água subterrânea
Água do solo
 x
 água subterrânea
O solo é uma mistura de materiais sólidos, líquidos e gasosos. 
Na mistura também encontram-se muitos organismos vivos (bactérias, fungos, raízes, insetos, vermes)
Água no solo
Composição do solo
 Normalmente analisada do ponto de vista do diâmetro das partículas que compõe o solo:
Diâmetro (mm)
Classe
0,0002 a 0,002
Argila
0,002 a 0,02
Silte
0,02 a 0,2
Areia fina
0,2 a 2,0
Areia grossa
Parte sólida do solo
Textura do solo
Textura do solo
Textura (português)
Textura (inglês) 
Arenosa
Sand
areia franca
Loamy sand        
franco arenosa
Sandy loam          
franco siltosa
Silt loam
franca
Loam            
franco argilo arenosa
Sandy clay loam  
franco argilo siltosa
Silty clay loam
franco argilosa
Clay loam        
argilo arenosa
Sandy clay        
argilo siltosa
Silty clay            
argila
Clay                
Siltosa
Silt
Porosidade
Capilaridade
Retenção de água no solo
Potencial mátrico
Armazenamento de água no solo
Volume total do solo = volume de sólidos + volume de poros
Porosidade = volume de poros / volume total
Porosidade
Areia: 0,37 a 0,50
Argila: 0,43 a 0,52
Porosidade
Conteúdo de água no solo em volume
Na situação em que todos os poros do solo estão ocupados pela água o solo é denominado saturado. Neste caso, o valor do conteúdo de água no solo é máximo, e q é igual a a. Portanto, o máximo conteúdo de água no solo é igual à porosidade.
Armazenamento
Na condição de solo completamente seco todos os poros estariam ocupados pelo ar, e o valor de q seria zero. 
Entretanto, isto raramente acontece, porque a água é fortemente atraída pelas partículas e pelos poros dos solos.
Adsorção 
capilaridade
Solo seco
O solo pode ser entendido de uma forma simplificada como uma esponja, ou papel de filtro, que tem capacidade de reter a água. 
Há duas forças principais que atuam no sentido de reter a água nos poros dos solos: 
as forças capilares
as forças de adsorção. 
Retenção de umidade no solo
As forças capilares ocorrem como consequência da tensão superficial da água interagindo com as paredes dos poros. 
Capilaridade
Tubos capilares exercem sucção por causa da tensão superficial
Poros do solo podem exercer o mesmo efeito
Quanto menor o diâmetro dos poros, maior é o efeito
Granulometria mais fina = poros menores = mais capilaridade
As forças de adsorção estão relacionadas a cargas eletrostáticas atuando entre as partículas do solo e as moléculas de água, ou de íons presentes na água, e resultam na manutenção de um filme muito fino de água sobre as partículas do solo
Adsorção
As duas forças (capilar e adsorção) atuam no sentido de reter a água no solo e é praticamente impossível avaliar separadamente cada uma delas. 
Assim, normalmente se refere à força de retenção de água no solo como a força mátrica, ou potencial mátrico de um solo.
Tem unidades de pressão (N/m2)
Tensão mátrica
Tensiômetro
Medição de tensão
Bulbo cerâmico 
Para uma amostra de solo o potencial mátrico normalmente varia com o conteúdo de água do solo, e esta relação é, normalmente, determinada de forma experimental.
 
Solos mais secos apresentam um potencial mátrico maior (exercem maior sucção sobre a água) do que solos mais úmidos. 
A função que relaciona as duas variáveis é a curva de retenção de umidade, ou curva de retenção de água no solo
Curva de retenção de umidade
Umidade do solo varia ao longo do tempo.
Para retirar a umidade do solo:
Por gravidade
Por sucção
Umidade do solo
Saturação: condição em que todos os poros estão ocupados por água
Capacidade de campo: Conteúdo de umidade no solo sujeito à força da gravidade
Ponto de murcha permanente: umidade do solo para a qual as plantas não conseguem mais retirar água e morrem
Umidade do solo
Balanço hídrico no solo
V = variação de volume de água armazenada no solo;
P = precipitação;
Q = escoamento superficial;
G = percolação;
ET = evapotranspiração 
V
	Considere uma camada de solo de 1m de profundidade cujo conteúdo de umidade é 35% na capacidade de campo e de 12% na condição de ponto de murcha permanente. Quantos dias a umidade do solo poderia sustentar a evapotranspiração constante de 7 mm por dia de uma determinada cultura? 
Exercício
Movimento da Água no Solo
Movimento da água em meios porosos
Movimento da água em solo saturado
Experimento de Darcy
K = propriedade do material = condutividade hidráulica saturada
Movimento da água em solo saturado
Experimento de Darcy
Q = fluxo de água (m3/s)
A = área (m2)
H = carga (m)
L = distância (m)
K = condutividade hidráulica (m/s)
Movimento da água em solo saturado
Equação de Darcy
Solo arenoso: 23,5 cm/hora
Solo siltoso: 1,32 cm/hora
Solo argiloso: 0,06 cm/hora
Movimento da água em solo saturado
Equação de Darcy
A equação de Darcy foi desenvolvida para fluxos de água em meios porosos saturados, e será retomada no capítulo sobre água subterrânea. 
Nos solos, entretanto, a situação mais comum é que o meio não está saturado. 
Neste caso, a condutividade hidráulica é uma função do conteúdo de água no solo. 
Além disso, a carga hidráulica deve ser expressa como uma combinação do potencial gravitacional e potencial mátrico. 
A equação de Darcy com estas adaptações é, por vezes, denominada equação de Darcy-Buckingham (Libardi, 2012).
Movimento no meio não saturado
saturado
não saturado
A condutividade hidráulica em condições não saturadas é menor do que a condutividade hidráulica saturada
Movimento no meio não saturado
Movimento no meio não saturado
A equação de Richards
Combinando a equação de Darcy
Com a equação da continuidade para um pequeno volume de solo:
Pode-se chegar à equação de Richards:
Que descreve o fluxo da água em meios porosos não saturados.
Movimento no meio não saturado
Equação de Richards
Fortemente não linear
Soluções analíticas apenas em casos simplificados
Normalmente são usadas soluções numéricas
Uma chuva que atinge um solo inicialmente seco será inicialmente absorvida totalmente pelo solo, enquanto o solo apresenta muitos poros vazios (com ar). 
Nesta condição, o potencial mátrico do solo é muito alto, e a água da chuva é absorvida muito rapidamente. 
À medida que os poros vão sendo preenchidos, a infiltração tende a diminuir, estando limitada pela capacidade do solo de transferir a água para as camadas mais profundas.
Infiltração de água no solo
A taxa de infiltração é a quantidade de água que penetra no solo ao longo do tempo.
Normalmente a taxa de infiltração é expressa em unidades de mm.hora-1. 
A máxima taxa de infiltração que um solo pode ter é definida como sua capacidade de infiltração.
A capacidade de infiltração varia ao longo do tempo.
Taxa de infiltração e capacidade de infiltração
Infiltrômetros
de anéis
Medição da capacidade de Infiltração
A capacidade de infiltração de água no solo varia de acordo com a umidade do solo. 
Em solos secos a capacidade de infiltração é, normalmente, bastante alta. 
À medida em que o solo vai ficando úmido, no entanto, a capacidade de infiltração diminui.
Capacidade de infiltração
fo = 50 mm/hora fc = 4 mm/hora
Modelo de capacidade de infiltração de Horton
f = taxa de infiltração (mm/hora)
fc = taxa de infiltração em condição de saturação (mm/hora)
fo = taxa de infiltração inicial (mm/hora)
t = tempo (minutos)
 = parâmetro que deve ser determinado a partir de medições no campo (1/minuto)
Equação de Horton
Infiltração conforme o tipo de solo
	Uma camada de solo argiloso, cuja capacidade de infiltração
na condição de saturação é de 4 mm.hora-1, está saturado e recebendo chuva com intensidade de 27 mm.hora-1. Qual é o escoamento (litros por segundo) que está sendo gerado em uma área de 10m2 deste solo, considerando que está saturado? 
Exercício
	Uma medição de infiltração utilizando o método dos anéis concêntricos apresentou o seguinte resultado. Utilize estes dados para estimar os parâmetros fc, fo e  da equação de Horton.
Exercício
Tempo (min)
Total Infiltrado (mm)
0
0,0
1
41,5
2
60,4
3
70,4
4
76,0
5
82,6
6
90,8
7
97,1
8
104,0
9
111,7
10
115,1
15
138,1
20
163,3
24
180,8